高温粉体(散料)物理显热回收的理论与技术

高温粉体(散料)物理显热回收的理论与技术2016/10/281引子“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项2017年度项目申报指南第5.1个问题：

400-1000℃固体散料(粒度0.1-15mm)余热回收。考核指标：应用示范装置规模≥200吨散料/日，余热回收利用率≥70%，考核运行时间≥200h。我们2014年工业产品的运行结果是：2016/10/282散料初始温度散料处理量余热回收率散料尺寸指南要求400-1000℃200t/d70%0.1-15mm我们的结果950-1000℃388t/d84%0-30mm粉体物理显热的回收方向1.深度回收热量：将粉体卸料温度降低到100℃以下或接近冷却水进口温度。2.提高粉体处理量：滚筒输送能力很大，只有在受到约束条件(如卸料温度)下输送能力输送能力才受到约束。3.提高滚筒安全性：滚筒的冷却介质受到压力驱动，滚筒装置必须能经受住工业介质的压力。4.开发新装置。2016/10/283前言颗粒物：具有一定尺寸范围、携带大量物理显热、多数情况下依靠重力和机械力运动的颗粒物。有些行业将这种颗粒体叫做粉体(如化工)，有些行业叫做散料(如冶金)，有些行业直呼颗粒种类名称(如发电锅炉灰渣)。各种工业过程中广泛存在着高温颗粒体，这类物质物理显热回收存在着流体余热回收不曾遇到的困难(没有流动动力、颗粒假冷)。2016/10/284粉体物理显热的经济价值运行小时数节煤量(t)/价值(万元)5000h6000h7000h8000h排渣量1t/h28.86/2.3134.63/2.7740.40/3.2346.17/3.692排渣量7t/h201.99/16.16242.4/19.39282.80/22.62323.2/25.85排渣量15t/h432.8/34.63519.43/41.56606.0/48.48692.57/55.39排渣量30t/h865.71/69.31038.9/83.11212/96.961385/110.78排渣量45t/h1298.6/103.91558/124.71818/145.442077/166.182016/10/285以300MW循环流化床锅炉900~1000℃排渣为例标煤价格按800元/吨锅炉灰渣物理显热回收装置2016/10/286循环流化床锅炉灰渣物理显热回收从流化床锅炉出现就开始研究，循环流化床锅炉开始工业应用后，曾经广泛使用流化床冷渣器，但由于该装置对灰渣尺寸十分敏感，颗粒尺寸变大后冷渣器会被压死，导致锅炉被迫停炉。以后几乎全部改为滚筒冷渣机，滚筒冷渣机的最大好处是对颗粒尺寸麻痹。滚筒冷渣机之所以能迅速成为主导产品，根本原因是这种装置对颗粒尺寸不敏感，次要原因是电耗，流化床冷渣器需要数百千瓦电机，而滚筒冷渣机的电耗通常在20kW上下滚筒冷渣机的缺陷滚筒冷渣机被认为天生传热系数低的装置，有文献认为这种装置的最大传热系数小于60W/m2K，工业滚筒冷渣机的传热系数通常不高于50W/m2K。文献显示(庄宇等，2011；司晓东等，2011；XiaodongSi等2012)，过去的研究忽视了滚筒冷渣机内部的物理过程，直接使用了回转窑的传热模型。2016/10/287第一代滚筒冷渣机(夹套式)2016/10/288第二代滚筒冷渣机(膜式壁)2016/10/289第三代滚筒冷渣机2016/10/28101.滚筒冷渣机研究中

出现过的错误认识2016/10/2811生产厂家的错误很多文献采用锅炉排渣温度(或室温)下的灰渣比热计算灰渣热量。这种错用导致传热量计算误差达到12%。(2)错误认为贴壁率高物理显热回收能力强。很多厂家认为高温灰渣只有接触滚筒才能实现有效传热，装置设计中想方设法提高所谓的“贴壁率”。(3)很多厂家认为灰渣的平均温度与冷却水的平均温度之差就是灰渣在滚筒中的传热温差。但灰渣在滚筒中是“假冷”的，即灰渣颗粒表皮冷却的同时，灰渣内部出现了巨大的温度梯度，即皮冷芯不冷。真正的传热温差是灰渣与滚筒接触处的灰渣温度与冷却水当地温度之差。这是认识高温粉体接触传热过程的物理基础。2016/10/2812研究人员的错误(4)没有认识到由于滚筒旋转，几乎所有传热学理论都不能直接使用，必须考虑由于滚筒旋转造成的传热过程变化。如特定滚筒表面不同时刻进行不同机理的传热过程。(5)模型计算假设灰渣床温度均匀，忽视其中巨大的温度梯度。(6)研究者将粉体运动过程与传热过程分开研究，而实际上这两个过程是同时发生的，高温粉体的运动过程和传热过程必须耦合起来研究。2016/10/2813一维传热模型的错误一维传热模型起源于回转窑，回转窑与滚筒冷渣机的区别如下：尽管都是旋转机械，但回转窑是焙烧装置，而滚筒冷渣机是传热装置。回转窑有火焰，有大量耐火材料，滚筒冷渣机没有火焰，没有耐火材料。回转窑薄料层运行(让矿物焙烧透)，滚筒冷渣机厚料层运行(提高灰渣处理量)。回转窑料层温度大体均匀，滚筒冷渣机料床中存在巨大的温度梯度。2016/10/2814一维传热模型不能直接用于滚筒冷渣机2.如何组织滚筒内的传热过程2016/10/28152.1灰渣运动组织灰渣运动组织是通过扬料板(flight)进行的，扬料板在化工上叫做抄板。直板扬料板性能很差：起始扬料角和终止扬料角之差太小，扬料板存料量太小。北科大进行了详细的扬料板工作过程研究：包括直板、L型扬料板、F型扬料板、双弯角扬料板。研究内容包括撒料范围(起始角和终止角)、物料抛洒曲线等。2016/10/2816三种设计不良的扬料板2016/10/2817(a)弯板过长和排列过稀；

(b)弯板过短和排列过稀

(c)排列过密三种能形成均匀撒料的扬料板抛洒物料的空间轨迹扬料板持料量2016/10/2818图中Legend为：弯角-弯板长度-扬料板数量2.2与灰渣抛洒配合的受热面设计2016/10/2819灰渣连续冲刷管束将主导热阻由接触热阻改变为对流冲刷热阻，传热系数提高1倍2.3沿滚筒长度方向的扬料板设计辐射段：灰渣温度大约550℃以前按辐射放热考虑扬料板布置：扬料板设置的目的是增加灰渣的空间份额，暴露更多辐射受热面。对流段：550℃灰渣要让灰渣对流热阻成为主导热阻：大约2m滚筒长度以后，辐射传热减少，对流和导热份额增加，扬料板要形成均匀抛洒的灰渣幕雨，将主导热阻由接触热阻变为对流冲刷热阻。收热段：350℃以下，灰渣需要难以接受的时间放热，延长时间是关键：人为设置灰渣陷阱(扩大滚筒直径)，增加挡料堰，可以有效延长灰渣在对流管束中的停留时间。按上述原则设计的扬料板对提高总传热系数起到了关键作用。2016/10/28202.4延长灰渣在滚筒内的停留时间2016/10/28213.滚筒冷渣机的实际运行效果新型滚筒冷渣机于2014年7月15日在150MW锅炉上投入工业运行第三方测试。测试结果由两部分构成。一部分是用户的锅炉变负荷试验结果，即锅炉不同运行工况下滚筒冷渣机的性能响应。另一部分是权威第三方在锅炉满负荷条件下测试的实际运行性能。2016/10/28223.1滚筒冷渣机的对数平均温差图1a.满负荷对数平均温差图1b.变负荷对数平均温差2016/10/28233.2实测的滚筒冷渣机传热系数变负荷时的传热系数满负荷时的传热系数2016/10/28243.3传热系数与排渣温度的关系滚筒冷渣机的热平衡热平衡中忽略了滚筒散热损失。可见：(1)灰渣处理量与传热系数和传热面积成正比。(2)传热系数与排渣温度受对数函数影响。2016/10/2825灰渣处理量与传热系数和排渣温度的关系根据热平衡得到的m~k关系根据热平衡得到的m~θ关系2016/10/2826实测的滚筒冷渣机性能实测的m~θ关系实测的的m~k关系2016/10/28273.4滚筒冷渣机的灰渣处理量据大唐集团某电厂的调研，300MW机组配套的滚筒冷渣机铭牌处理量为25~30t/h，但实际处理只有10~15t/h，大约为铭牌出力的一半。设取灰渣温度900℃，排渣温度100℃，进口水温45℃，出口水温120℃，可以获得灰渣流量与传热系数和传热面积之间的关系。2016/10/28283.5滚筒冷渣机的传热面积2016/10/28293.6滚筒冷渣机的转速滚筒转速是唯一可以随意调节的运行参数，对滚筒冷渣机性能影响最大。2016/10/2830滚筒转速与灰渣处理量滚筒转速与排渣温度3.6滚筒冷渣机的转速2016/10/2831滚筒转速与对数平均温差滚筒转速与传热系数考虑滚筒直径时使用的灰渣速度2016/10/28324.结论(1)滚筒冷渣机是旋转换热器。一些基本传热原理不可以直接使用，需要充分考虑装置旋转对传热过程造成的影响。由于滚筒旋转，滚筒结构对灰渣在滚筒中的行为有决定性影响。空圆筒旋转时，物料形成月牙形料床；三分仓滚筒中，物料被分割成两个不同大小的扇形灰渣堆积。我们设计的新型滚筒冷渣机采用了大量旨在整个截面均匀抛撒物料的扬料板，底部堆积灰渣非常少，空间抛洒灰渣占了多数。这样，主导热阻就从灰渣接触热阻变为灰渣对流冲刷热阻。由此得到了远优于现有滚筒冷渣机的传热性能。2016/10/28334.结论(2)提高滚筒冷渣机灰渣处理量的关键在于强化滚筒传热。滚筒长度方向，对数平均温差和传热系数都是连续变化的。滚筒转速显著影响滚筒性能，随着滚筒转速提高，对数平均温差以不同速率增加。表明当锅炉负荷发生变化时，滚筒性能并非按比例变化。滚筒冷渣机传热系数随灰渣处